RU2007754C1

RU2007754C1 - Device for measuring mean value of result of multiplication of two values

Info

Publication number: RU2007754C1
Authority: RU
Inventors: С.Н. Долинов; Л.Г. Журавин; М.А. Мариненко; Е.И. Семенов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова/Ленина/
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: measuring devices. SUBSTANCE: device has comparison units, multiplexers, pseudorandom number generator, reference voltage power supply and reverse counter. EFFECT: increased field of application by change of information range of measured signal frequency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может использоваться также в соседних областях науки и техники при необходимости определения корреляционных связей и энергетических характеристик широкополосных процессов. The invention relates to information-measuring equipment and can also be used in neighboring fields of science and technology, if necessary, to determine the correlation and energy characteristics of broadband processes.

Известно устройство измерения среднего значения произведения двух величин (в данной реализации: тока и напряжения), основанное на использовании метода широтно-импульсной модуляции и состоящее из последовательно соединенных преобразователя тока в напряжение, преобразователя напряжения во временной интервал и ключа, выход которого соединен с фильтром нижних частот, на второй вход подается вторая измеряемая величина - напряжение, а вход управления связан со входом управления преобразователя напряжения во временной интервал и выходом генератора тактовых импульсов. A device is known for measuring the average value of the product of two quantities (in this implementation: current and voltage), based on the use of pulse-width modulation and consisting of a series-connected current to voltage converter, a voltage converter in a time interval, and a switch whose output is connected to the lower filter frequencies, the second measured value is applied to the second input - voltage, and the control input is connected to the control input of the voltage converter in the time interval and the output of nerator clock pulses.

Недостатком устройства является ограниченный частотный диапазон входных величин. Известно, что подобные устройства могут измерять среднее значение величин с шириной спектра до ≈100 кГц при тактовой частоте 3 мГц. Наиболее инерционным элементом здесь является преобразователь напряжения (или любой другой величины) во временной интервал (т. е. широтно-импульсный модулятор), и сколько-нибудь существенное расширение его частотных свойств (при сохранении точностных характеристик) связано с решением очень серьезных проблем в технологии изготовления элементной базы. The disadvantage of this device is the limited frequency range of the input quantities. It is known that such devices can measure the average value with a spectral width of up to ≈100 kHz at a clock frequency of 3 MHz. The most inertial element here is a voltage converter (or any other value) in the time interval (i.e., a pulse-width modulator), and any significant expansion of its frequency properties (while maintaining the accuracy characteristics) is associated with solving very serious problems in technology manufacturing element base.

В качестве прототипа может быть взято устройство измерения среднего значения произведения двух величин, содержащее две схемы сравнения (СС), первые входы которых являются входами устройства, а вторые входы соединены с выходами первого и второго генераторов шума (ГШ) соответственно; выходы схем сравнения соединены с первым и вторым входом схемы эквивалентности, выход которой соединен со входом счетчика. As a prototype, a device for measuring the average value of a product of two quantities can be taken, containing two comparison circuits (CC), the first inputs of which are the inputs of the device, and the second inputs are connected to the outputs of the first and second noise generators (GS), respectively; the outputs of the comparison circuits are connected to the first and second input of the equivalence circuit, the output of which is connected to the input of the counter.

Работа устройства-прототипа основана на использовании стохастического метода, в соответствии с которым случайные сигналы, генерируемые генераторами шума, поступают на входы схем сравнения. При совпадении состояний схем сравнения на выходе схемы эквивалентности появляется потенциал, который приводит к увеличению состояния счетчика на единицу (работа счетчика синхронизируется генератором тактовых импульсов). The prototype device is based on the use of the stochastic method, according to which random signals generated by noise generators are fed to the inputs of the comparison circuits. When the states of the comparison circuits coincide, an potential appears at the output of the equivalence circuit, which leads to an increase in the state of the counter by one (the counter is synchronized by the clock).

Число импульсов N, зарегистрированных счетчиком, в пределе стремится к величине
N = K₁X₁X₂ + K₂, где К₁ и К₂ - const; Х₁ и Х₂ - первая и вторая измеряемые величины. Таким образом, счетчик выполняет функцию, аналогичную фильтру нижних частот в устpойстве-аналоге.The number of pulses N registered by the counter tends to the value
N = K ₁ X ₁ X ₂ + K ₂ , where K ₁ and K ₂ are const; X ₁ and X ₂ - the first and second measured values. Thus, the counter performs a function similar to a low-pass filter in an analog device.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность использования его для измерения среднего значения произведения величин с шириной спектра больше нескольких мегагерц. Наиболее инерционным элементом устройства является ГШ. Максимальное быстродействие и наилучшие метрологические характеристики ГШ можно получить при его построении на основе генератора псевдослучайной последовательности ГПСП и цифроаналогового преобразователя. В такой реализации самым инерционным блоком ГШ является ЦАП, содержащий аналоговую часть, т. е. быстродействие ГШ определяется быстродействием ЦАПа. У самого быстродейст- вующего ЦАПа К1118ПАЗ, выпускаемого промышленностью, время преобразования (время установления выходной величины) равно τ_ЦАП= 10 нс. Если учесть, что правильное состояние СС возможно только после "успокоения" как ЦАПа, так и СС, то можно считать, что общим временем "успокоения" ГШ является время τ≥τ_ЦАП+τ_сс, где τ_cc- время успокоения СС.The disadvantage of the prototype device is the inability to use it to measure the average value of the product of quantities with a spectrum width greater than several megahertz. The most inertial element of the device is GS. The maximum speed and the best metrological characteristics of a GSH can be obtained by constructing it on the basis of a generator of a pseudo-random sequence of GPSS and a digital-to-analog converter. In such an implementation, the most inertial block of the GS is the DAC containing the analog part, i.e., the speed of the GS is determined by the speed of the DAC. For the fastest DAC K1118PAZ manufactured by the industry, the conversion time (time to establish the output value) is τ _DAC = 10 ns. If we take into account that the correct state of the SS is possible only after "calming down" both the DAC and the SS, then we can assume that the total time for "settling" the GS is the time τ≥τ _DAC + τ _ss , where τ _cc is the time to calm the SS.

Самой быстродействующей отечественной СС является микросхема 597СА1 со временем переходного процесса τ_cc= 6,5 нс, следовательно, τ≥16,5 нс. С учетом остальных элементов (цифровой логики - значительно более быстродействующей) общее время "успокоения" можно считать ≈20 нс и, следовательно, максимальная тактовая частота составит примерно f_т = 50 МГц.The fastest domestic SS is the 597CA1 microcircuit with a transition time τ _cc = 6.5 ns, therefore, τ≥16.5 ns. Taking into account the rest of the elements (digital logic is much faster), the total “settling” time can be considered ≈20 ns and, therefore, the maximum clock frequency will be approximately f _t = 50 MHz.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение информационной полосы частот входных сигналов. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее по одной схеме сравнения в каждом из двух каналов, первые входы которых являются входами устройства, схему эквивалентности, прямой выход которой соединен с суммирующим входом счетчика, выход которого является выходом устройства, введены по (n-1) схем сравнения в каждый из двух каналов, первые входы которых в каждом канале объединены и соединены с соответствующим входом устройства, а второй вход i-й схемы сравнения (i = 1, n) соединен с i-м выходом источника опорного напряжения, причем выходы схем сравнения соединены в каждом канале с соответствующим информационным входом логического коммутатора, входы управления которых соединены с соответствующими выходами генератора псевдослучайной последовательности, синхронизирующий вход которого соединен с шиной синхронизации и с синхронизирующим входом счетчика, вычитающий вход счетчика соединен с инверсным выходом схемы эквивалентности, первый и второй входы которой соединены с выходами первого и второго логического коммутатора соответственно. The aim of the invention is to increase the information bandwidth of the input signals. This goal is achieved by the fact that in the device containing one comparison circuit in each of the two channels, the first inputs of which are the inputs of the device, the equivalence circuit, the direct output of which is connected to the summing input of the counter, the output of which is the output of the device, is entered by (n- 1) comparison circuits in each of two channels, the first inputs of which in each channel are combined and connected to the corresponding input of the device, and the second input of the i-th comparison circuit (i = 1, n) is connected to the i-th output of the reference voltage source, at the moves of the comparison circuits are connected in each channel to the corresponding information input of the logical switch, the control inputs of which are connected to the corresponding outputs of the pseudo-random sequence generator, the synchronizing input of which is connected to the synchronization bus and to the synchronizing input of the counter, the subtracting input of the counter is connected to the inverse output of the equivalence circuit, the first and the second inputs of which are connected to the outputs of the first and second logical switch, respectively.

Благодаря этому в устройстве исключен самый инерционный элемент - ЦАП, что повышает быстродействие устройства, а следовательно, и расширяет частотный диапазон входных величин при сохранении точности преобразования. Due to this, the most inertial element, the DAC, is excluded in the device, which increases the speed of the device and, consequently, extends the frequency range of input values while maintaining the accuracy of the conversion.

Среди известных устройств нет таких, которые обладали бы совокупностью указанных свойств (частотный диапазон входных величин и точность преобразования), поэтому можно считать предложенные отличия (введенные дополнительно в каждый канал (n-1) СС, логический коммутатор, замену ГШ на ГПСП и счетчика на реверсивный счетчик), удовлетворяющими условиям существенности. Among the known devices, there are none that would possess a combination of the indicated properties (frequency range of input values and conversion accuracy), therefore, we can consider the proposed differences (introduced additionally in each channel (n-1) of the SS, logical switch, replacing the GS with GPS and the counter with reversible counter) satisfying the conditions of materiality.

На чертеже показана структурная схема устройства. The drawing shows a structural diagram of a device.

Предлагаемое устройство содержит по n схем сравнения (СС) 1 в каждом из двух каналов, источник опорного напряжения (ИОН) 2, по одному логическому коммутатору (мультиплекатору) ЛК 3 на канал, двухканальный генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП) 4, схему эквивалентности (СЭ) 5 и реверсивный счетчик (РС) 6, причем все первые входы СС 1 в каждом канале объединены и являются входами устройства, вторые входы i-ых СС 1 соединены с i-м выходом ИОН 2, а выходы СС 1 - с соответствующими входами ЛК 3, входы управления которых соединены с соответствующими входами ГПСП 4, а выходы - с соответствующими входами СЭ 5, прямой и инверсный выходы которой соединены с суммирующим и вычитающим входом РС 6 соответственно, синхронизирующий вход которого соединен с синхронизирующим входом ГПСП 4 и с шиной синхронизации, а выход РС 6 является выходом устройства. СС 1, ЛК 3, СЭ 5 и РС 6 являются типовыми элементами цифровой техники и реализуются стандартным образом. The proposed device contains n comparison circuits (SS) 1 in each of two channels, a reference voltage source (ION) 2, one logical switch (multiplexer) LK 3 per channel, two-channel pseudo-random sequence generator (GPS) 4, equivalence circuit (SC ) 5 and a reverse counter (PC) 6, and all the first inputs of SS 1 in each channel are combined and are the inputs of the device, the second inputs of the i-th SS 1 are connected to the i-th output of ION 2, and the outputs of SS 1 with the corresponding inputs of the LC 3, the control inputs of which are connected to the corresponding the GPSSP 4 inputs, and the outputs are with the corresponding SE 5 inputs, the direct and inverse outputs of which are connected to the summing and subtracting input of PC 6, respectively, whose synchronizing input is connected to the GPSP 4 synchronizing input and to the synchronization bus, and PC 6 output is the device output . SS 1, LK 3, SE 5 and RS 6 are typical elements of digital technology and are implemented in a standard way.

ИОН 2 формулирует на своих выходах опорные напряжения U_i в диапазоне ±U_m:
U_i = -U_m + iΔ -

, i = 1, n, где i - номер выхода; Δ=

- шаг квантования. Блок может быть реализован на собственном источнике напряжения и резисторном делителе на выходе.ION 2 formulates at its outputs reference voltages U _i in the range ± U _m :
U _i = -U _m + iΔ -

, i = 1, n, where i is the output number; Δ =

- quantization step. The block can be implemented on its own voltage source and resistor divider at the output.

ГПСП 4 формирует на своих выходах псевдослучайную дискретную двоичную последовательность с числом разрядов m = log₂n и может быть реализован, например, в виде двух генераторов М-последовательности (по одному на канал).GPSSP 4 generates at its outputs a pseudo-random discrete binary sequence with the number of bits m = log ₂ n and can be implemented, for example, in the form of two M-sequence generators (one per channel).

Устройство измерения среднего значения произведения двух величин работает следующим образом. A device for measuring the average value of the product of two quantities works as follows.

На входы устройства поступают два напряжения u₁(t) и u₂(t), функционально связанные с измеряемыми величинами. На очередном такте в ГПСП 4 формируются две независимые случайные последовательности, значения которых играют роль адреса для ЛК 3. Таким образом на входы СЭ 5 поступают два двоичных сигнала со случайно выбранных СС 1. Если сигналы эквивалентны ("00" или "11"), то на прямом выходе СЭ 5 появляется сигнал "1" и состояние счетчика РС 6 увеличивается на единицу. В противоположном случае сигнал "1" появляется на инверсном выходе СЭ 5 и состояние РС 6 уменьшается на единицу.Two voltages u ₁ (t) and u ₂ (t), functionally related to the measured values, are supplied to the device inputs. At the next clock cycle in GPSSP 4 two independent random sequences are formed, the values of which play the role of an address for LC 3. Thus, two binary signals from randomly selected SS 1 are received at the inputs of SE 5. If the signals are equivalent ("00" or "11"), then the signal “1” appears on the direct output of the SE 5 and the state of the PC 6 counter increases by one. In the opposite case, the signal "1" appears on the inverse output of the SC 5 and the state of the PC 6 decreases by one.

В совокупности элементы устройства составляют стохастический множительный элемент, для которого состояние счетчика РС 6 в пределе равно
N = k₁u₁(t)u₂(t) + k₂, причем за счет применения реверсивного счетчика k₂ = 0, k₁ = f_тТU_m ^-2, где f_т - тактовая частота; Т - время измерения; ±U_m - динамический диапазон входных напряжений.Together, the elements of the device constitute a stochastic multiplying element for which the state of the counter PC 6 in the limit is equal to
N = k ₁ u ₁ (t) u ₂ (t) + k ₂ , moreover, due to the use of a reversible counter k ₂ = 0, k ₁ = f _t ТU _m ^-2 , where f _t is the clock frequency; T is the measurement time; ± U _m - dynamic range of input voltages.

Такая реализация устройства позволяет повысить быстродействие (за счет изъятия самого инерционного элемента - ЦАПа) и, следовательно, расширить информационную полосу частот входных сигналов. В предлагаемом устройстве основным инерционным элементом остается СС, так как остальные узлы реализуются на основе цифровых микросхем, наиболее быстрые из которых (серии ЭСЛ) имеют время "успокоения" 1-2 нс. Поэтому, если наиболее быстрая СС 597СА1 имеет быстродействие 6,5 нс, то общее время "успокоения" будет примерно равно ≈10 нс, следовательно, тактовая частота может быть взята f_т = 100 МГц, т. е. в два раза больше, чем у прототипа.Such an implementation of the device can improve performance (by removing the inertial element itself - the DAC) and, therefore, expand the information bandwidth of the input signals. In the proposed device, the main inertial element remains SS, since the remaining nodes are implemented on the basis of digital microcircuits, the fastest of which (ESL series) have a “calm” time of 1-2 ns. Therefore, if the fastest SS 597CA1 has a speed of 6.5 ns, then the total “calm” time will be approximately equal to ≈10 ns, therefore, the clock frequency can be taken f _t = 100 MHz, that is, twice as much as at the prototype.

Для обеспечения аналогичной точности, что и у прототипа, число схем сравнения в каждом из каналов (n) должно быть равно 2^m, где m - разрядность ЦАПа в устройстве-прототипе.To ensure the same accuracy as the prototype, the number of comparison circuits in each of the channels (n) should be equal to 2 ^m , where m is the digit capacity of the DAC in the prototype device.

Так для m = 7 число СС будет равно 27 = = 128. Однако сложность устройства не увеличится, так как промышленностью освоен выпуск матричных кристаллов, которые могут содержать достаточно большое число элементов (в данном случае схем сравнения) в одном корпусе. So for m = 7, the SS number will be 27 = = 128. However, the complexity of the device will not increase, since the industry has mastered the production of matrix crystals, which can contain a fairly large number of elements (in this case, comparison circuits) in one case.

Кроме того, этот кристалл может содержать также и часть ИОН - делитель из резисторов - из расчета один резистор на одну СС. In addition, this crystal may also contain a part of the ION — a resistor divider — based on one resistor per SS.

Таким образом, в сравнении с прототипом предложенное устройство имеет не менее, чем в 2 раза, более широкую полосу частот информационных сигналов при сохранении точности и конструктивной простоты. Thus, in comparison with the prototype, the proposed device has at least 2 times a wider band of information signals while maintaining accuracy and structural simplicity.

(56) Ориатский П. П. Автоматические измерения и прибоpы. К. Вища школа, 1980, с. 125. (56) Oriatsky P.P. Automatic measurements and devices. K. Vishka School, 1980, p. 125.

Ориатский П. П. Автоматические измерения и приборы. К. Вища школа, 1980, с. 41. Oriatsky P.P. Automatic measurements and devices. K. Vishka School, 1980, p. 41.

Claims

A DEVICE FOR MEASURING THE AVERAGE VALUE OF TWO VALUES, containing two comparison units, an EXCLUSIVE OR element and a counter whose output is the output of the device, the first and second information inputs of which are connected to the first inputs of the first and second comparison units, the direct output of the EXCLUSIVE OR element connected to the sum OR counter input, characterized in that, in order to expand the scope by increasing the frequency band of the input signals, two multiplexers, a reference voltage source, are introduced into it there are two groups of comparison blocks, a pseudo-random sequence of numbers, the counter is reversible, the synchronization input of which is connected to the synchronization input of the pseudo-random sequence of numbers and is a clock input of the device, the first and second information inputs of which are connected to the first inputs of the comparison blocks of the same group, source outputs the reference voltage is connected to the second inputs of the first and second comparison units and group comparison units, the outputs are “Equal” to the first unit cp the input and comparison blocks of the first group are connected to the information inputs of the first multiplexer, the control input of which is connected to the first output of the pseudo-random sequence of numbers, the second output of which is connected to the control input of the second multiplexer, the information inputs of which are connected to the outputs of “Equally” the second comparison block and comparison blocks of the second group, the outputs of the multiplexers are connected to the inputs of the EXCLUSIVE OR element, the inverse output of which is connected to the subtracting input of the reverse counter.